预应力混凝土管桩加固软土地基效果及参数影响分析

刘 华， 张太雷， 李国生

(1.济南市城市建设投资服务中心有限公司 济南市 250013； 2.济南城建集团有限公司 济南市 250031)

0 引言

预应力混凝土管桩因具有施工工艺简单、施工速度快以及质量可靠等特点在软土地基加固方面得到了广泛的应用[1-4]，为了更加深刻地了解预应力混凝土管桩加固软土地基特性和桩体参数影响，进行了详细地研究分析。近年来，国内学者对此进行了一些研究，主要有：王丽云等[5]以某工程为例，介绍了预应力混凝土管桩复合地基承载力和沉降量的计算方法，并提出了相关施工工艺。俞帆等[6]以某高速公路软基处理为研究对象，分析了预应力混凝土管桩加筋路堤的地基变形规律。张新生和张洁等[7-8]以铁路路基加固为研究对象，采用预应力混凝土管桩进行加固，通过对监测数据分析，验证了该加固方法的有效性。采用数值模拟的方法分析预应力混凝土管桩加固软土路基效果，并对相关参数影响进行了分析，研究结果可为软基处理提供参考和借鉴。

1 工程概况

济南市济钢片区市政道路建设一期工程开源中路位于济南市历城区济钢片区，全长约2927m。根据地质报告显示，在靠近南侧与桥梁引桥衔接区段，为道路填方段，原始地表以下存在较厚的充填区，地质条件较差，拟采用预应力管桩复合地基加固处理桥头，以避免产生过量沉降。地基从上到下土层依次为填土、碎石垫层、粉土①、粉砂①、粉土②、粉砂②、粉质黏土①和粉土③，厚度依次为5m、0.5m、16m、1.8m、3.9m、2.2m、3.5m和2.6m。路基的顶部宽度和填土高度分别为40m和5m，其中砂石垫层厚度为0.5m，坡率为1∶1.5，施工时采用分层铺填碾压的方法，按照每层1.0m进行分层碾压，共碾压5次完成。预应力混凝土管桩设计桩长为14m，桩径为0.5m，桩间距为2.0m，同时在桩顶设置桩帽。

2 数值建模

2.1 模型建立

如图1所示，采用有限元软件Plaxis建立的数值模型图。由于路基的对称性，取右半幅进行建模分析，半幅路基的顶部宽度和填土高度分别为20m和5m，坡率为1∶1.5。模型整体宽度为90m，模型整体高度为37.5m，砂石垫层厚度为0.5m。预应力混凝土管桩桩长为14m，桩径为0.5m，桩间距为2.0m。采用摩尔-库伦本构模型模拟分析，除上边界外，模型其他边界均进行位移约束。

图1 数值模型图

表1为土层物理力学参数，表2为管桩和桩帽的物理力学参数。

表1 土层的物理力学参数

表2 管桩和桩帽的物理力学参数

2.2 数值模拟与现场监测数据对比分析

为了验证数值模拟结果的可靠性，在模拟计算过程中对分层填筑的路基顶部中心沉降值进行监测，如表3所示，给出了数值模拟值与现场监测值，由表3可知，随着填筑高度的增大，路基最大沉降增大，分层填筑过程中数值模拟值与现场监测数据误差均在10%以内，说明数值模拟结果的可靠性。

表3 数值模拟与现场监测数据对比分析表

3 预应力混凝土管桩加固路基前后对比分析

为了分析预应力混凝土管桩加固软土路基效果，主要对加固前后的地基沉降和水平位移进行分析。

3.1 沉降分析

如图2所示，给出了管桩处理地基前后的路基沉降云图，由图可知，在处理加固之前，路基沉降比较集中，其中以路基中心顶部沉降最大，往路基两侧和往地基深度方向沉降减小。在管桩加固处理之后，路基沉降分布比较分散，说明管桩起到了有效地加固作用。

图2 管桩处理前后路基沉降云图

为了更加直接地得出预应力混凝土管桩加固软土路基效果，如图3所示，给出了管桩处理前后地基沉降对比曲线，由图3可知，采用管桩加固之后，在加固区域地基沉降明显减小，尤其在地基中心沉降减小最为明显，管桩处理前地基最大沉降值为127.4mm，管桩处理后地基最大沉降值为76.8mm，管桩处理后最大沉降减小了39.7%。

图3 管桩处理前后地基沉降对比曲线

3.2 水平位移分析

如图4所示，给出了管桩处理地基前后的路基水平位移云图，由图4可知，在处理加固之前，路基水平位移较大值集中在路基坡脚处，在管桩加固处理之后，路基水平位移较大值集中区下降到管桩桩底下部区域，说明采用预应力混凝土管桩加固之后路堤坡脚水平位移明显减小，有效保证了路堤安全。

图4 管桩处理前后路基水平位移云图

如图5所示，给出了管桩处理前后地基水平位移对比曲线，由图5可知，采用管桩加固之后，地基水平位移明显减小，尤其在靠近坡脚位置地基水平位移减小最为明显，管桩处理前地基最大水平位移值为72.3mm，管桩处理后地基最大水平位移值为26.4mm，管桩处理后最大水平位移值减小了63.5%。

图5 管桩处理前后地基水平位移对比曲线

4 管桩参数影响分析

预应力混凝土管桩参数的变化势必对软土地基加固效果产生影响，为了对管桩取值参数进行优化分析，主要通过改变桩长、桩间距和桩帽来分析其规律。

如图6所示，给出了桩长对路堤沉降影响曲线，桩长分别取12m、14m和16m进行分析，桩间距取2.0m且不变，设置桩帽。由图6可知，通过增大桩长，可以减小路基沉降，其中路基中心沉降降低最大。桩长取12m、14m和16m时对应的路基最大沉降分别为85.9mm、76.4mm和68.6mm，桩长取14m和16m时比桩长取12m时路基最大沉降分别减小了11.1%和20.1%。

图6 桩长对路堤沉降影响曲线

如图7所示，给出了桩间距对路堤沉降影响曲线，桩间距分别取2.5m、2.0m和1.5m进行分析，桩长取14m且不变，设置桩帽。由图7可知，通过减小桩间距，可以减小路基沉降。桩间距分别取2.5m、2.0m和1.5m时对应的路基最大沉降分别为86.2mm、76.4mm和67.8mm，桩间距取2.0m和1.5m比桩间距取2.5m时路基最大沉降分别减了11.4%和21.3%。

图7 桩间距对路堤沉降影响曲线

综上可知，通过增大桩长和减小桩间距均可以有效降低路基沉降，但在实际工程中，这种降低沉降是有限的，当桩长过长或桩间距过小时，不仅路基沉降减小不明显，还会严重降低桩间土的承载性能，同时增大施工成本、施工周期和难度，设计和施工过程中要根据地质和工程条件合理设计参数。

如图8所示，给出了桩帽对路堤沉降影响曲线，分别取设置桩帽和不设置桩帽两种工况，桩长取14m且不变，桩间距取2.0m且不变。由图8可知，通过设置桩帽，可以减小路基沉降。设置桩帽和不设置桩帽对应的路基最大沉降分别为85.5mm和76.4mm，即设置桩帽相比于不设置桩帽路基最大沉降减小了10.6%。这是由于桩帽的设置，使得桩体承载能力增大，降低了桩间土分担荷载，更有效地发挥了桩体承载能力。

图8 桩帽对路堤沉降影响曲线

5 结论

采用数值模拟的方法分析预应力混凝土管桩加固软土路基效果，并对相关参数影响进行了分析，得到以下结论：

(1)分层填筑过程中数值模拟值与现场监测数据误差均在10%以内，说明数值模拟结果的可靠性。

(2)加固前路基沉降比较集中，路基水平位移较大值集中在路基坡脚处；加固后地基沉降大幅度降低，路堤坡脚水平位移明显减小，保证了路堤的安全。

(3)增大桩长和减小桩间距均可以有效降低路基沉降，但这种降低沉降是有限的，当桩长过长或桩间距过小时，不仅路基沉降减小不明显，还会严重降低桩间土的承载性能，同时增大施工成本、施工周期和难度，设计和施工过程中要根据地质和工程条件合理设计参数。

(4)通过设置桩帽，增强了发桩体承载能力，降低了桩间土分担荷载，有效地发挥了桩体承载能力，减小了路基沉降。